Interview mit Iñigo Artundo, VLC Photonics »Eine elektrooptische Konversion ist immer teuer«

Aktive photonische integrierte Schaltkreise (PICs) auf der Basis von Silizium sind seit vielen Jahren ein Wunschtraum nicht nur der Chip-Architekten. Zwar hat sich die Technologie weiterentwickelt, aber in der Praxis sind die PICs noch nicht angekommen. Die Elektronik-Redaktion sprach mit dem CEO des Unternehmens VLC Photonics, Iñigo Artundo, über den letzten Stand der Dinge in der Photonik.

Elektronik: Herr Dr. Artundo, die Integration von Lichtwellenleitern auf der Chip- und Board-Ebene, etwa als SiO2, hat vor einigen Jahren als technischer Durchbruch Furore gemacht. Heute ist nur wenig darüber zu hören. Konnten die Erwartungen nicht erfüllt werden oder ist die Technologie noch nicht reif?

Dr. Iñigo Artundo: Photonische integrierte Schaltkreise auf der Basis von SiO2, auch als integrierte planare Lichtwellenleiter (PLC; Planar Lightwave Circuits) bekannt, waren sehr erfolgreich darin, passive Funktionen in kompakter Form mit geringen optischen Verlusten und zu geringen Kosten zu produzieren. Millionen von optischen Verteilern (Splitter), optischen Multi- und Demultiplexern (AWG; Arrayed Waveguide Gratings) und variable optische ­Abschwächer (VOAs) in dieser Technologie sind seit dem Ende der 1990er Jahre abgesetzt worden. Dabei ist die Fertigung zum größten Teil nach Asien abgewandert. Während die Technologie selbst ausgereift und zu niedrigen Kosten umgesetzt werden kann, ist sie auf die Chips beschränkt geblieben; für optische Verbindungen auf der Leiterplatte werden Polymer-Lichtwellenleiter bevorzugt verwendet.

Elektronik: Schon vor mehr als zehn Jahren wurde als eines der Hauptprobleme beim Aufbau von photonischen Modulen die Justage der optischen Elemente zueinander, insbesondere der Anschluss des Lichtwellenleiters. Dies ist offenbar noch der Fall, oder gab es hier einen Durchbruch?

Dr. Iñigo Artundo: Die Justage von Einmoden-Lichtwellenleitern (SMF) an PLC-Chips ist zwar nicht trivial, diese Probleme können aber heute als gelöst angesehen werden. Aber bei der heutigen Silizium-Photonik liegen die ­Dimensionen bei 220 nm. Das stellt weitaus höhere Anforderungen an die ­Anbindung der Lichtwellenleiter an den Chip.

Elektronik: Die Vorteile der photonischen Bauelemente wurden von einigen Experten nicht allzu hoch eingeschätzt. Das Argument lautete: Solange der Fortschritt bei der eingeführten Silizium-Technologie weitergeht, besteht keine Notwendigkeit für einen Systembruch. Wird sich die Photonik demnach überhaupt durchsetzen?

Dr. Iñigo Artundo: Die Aussage ist sicher richtig und die elektronischen Komponenten sind immer billiger und leistungsfähiger geworden; in einigen Fällen sind sie aber wesentlich näher an den physikalischen Grenzen als noch vor zehn Jahren. Das ist z.B. der Fall bei optischen On-Chip-Verbindungen, bei denen „große“ Entfernungen auf dem Chip überbrückt werden müssen. Auch bei Multi-Core-Bausteinen besteht ein Bedarf an schnellen, parallelen High-Speed-Verbindungen, die sich mit optischen Elementen leichter implementieren lassen als mit elektronischen.

Elektronik: Ein ganz anderer Bereich ist die Integration der Lichtwellenleiter auf der Leiterplatte für die Chip-to-Chip-Kommunikation. Hier wird der Anschluss der Lichtwellenleiter an den Chip ein großes Problem. Gibt es hierfür schon Lösungen und eventuelle Standardisierungsbemühungen oder sind die Entwicklungen noch im vorwettbewerblichen Stadium?

Dr. Iñigo Artundo:Große Unternehmen wie IBM haben längst ausgereifte Lösungen für optische Leiterplatten auf der Basis von polymeren Lichtwellenleitern entwickelt. Hier ist es nur noch eine Frage der Zeit, wann diese kommerzialisiert werden.

Elektronik: Das wirft natürlich die Frage auf, ob nicht etwa Module mit gesonderten Chips für die elektrooptische Umsetzung nicht besser geeignet sind, die Verbindungsprobleme zwischen den Chips zu lösen?

Dr. Iñigo Artundo: Elektrooptische Konversion ist immer teuer, allein schon was die Frage der dafür benötigten Energie betrifft. Daher gilt hier: Je mehr Funk­tionen direkt auf der optischen Ebene implementiert werden können, desto effizienter das System.

Elektronik: Der Vorteil der optischen Nachrichtenübertragung ist deren Unempfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen. Ist nicht vielmehr die zeitliche Unsicherheit der Signale bei der parallelen Übertragung ein Argument für den Übergang zum Lichtwellenleiter, dann allerdings als serielle Übertragung?

Dr. Iñigo Artundo: Parallele Übertragungen mit sehr hohen Datenraten mit elektronischen Bauelementen zu realisieren ist mühsam. Zwar sind die optischen Verbindungen nicht völlig frei von Übersprechen, aber die Datenübertragungsraten sind deutlich höher. Vermutlich wird sogar bei der seriellen optischen Übertragung künftig auf Systeme umgestiegen, die in Wellenlänge und Raum parallel arbeiten. Das geschieht derzeit in der optischen Kommunikationstechnik mit Multi-Core-Lichtwellenleitern.

Elektronik: Die optische Übertragungstechnik ist selbst in den großen Datenzentren ein Systembruch; nicht nur aus Kostengründen greift man hier lieber auf die Kupferstandards zurück, die über kurze Entfernungen ja auch schon viel bewältigen können. Reichen die ­Datenübertragungsraten bei den Kupferstandards aus und dreht sich die Diskussion nicht eher darum, das teure Kupfer durch ein billigeres Verfahren zu ersetzen?

Dr. Iñigo Artundo: Aktive optische Lichtwellenleiter für Datenzentren sind heute schon im Einsatz. Diese nutzen die hohe Bandbreite des Lichtwellenleiters für die Übertragung unter Beibehaltung des bisherigen Steckverbinders mit elektrischen Kontakten. Die elektrooptische Umsetzung geschieht dann direkt im Steckverbindergehäuse. Ein Beispiel hierfür ist Molex mit seinen „Silicon Photonics Enabled Active Cables“.

Elektronik: Ein kritischer Baustein ist der elektrooptische Modulator; einen solchen hatte Intel im Jahr 2004 in Sili­zium realisiert. Eine der wichtigen Methoden der integrierten Optik ist die Ein- bzw. Auskopplung des Lichts über Beugungsgitter, deren Strukturen sich mit den Methoden der Halbleitertechnologie darstellen lassen.

Dr. Iñigo Artundo: In der Silizium-Photonik hat es in den letzten Jahren durchaus einige Durchbrüche gegeben, aber die Technologie muss noch mehrere Stufen nehmen, bevor sie ausgereift ist und genutzt werden kann. Heute sind wir an dem Punkt, an dem wohl die meisten Probleme gelöst sind, und es ist nur noch eine Frage der Zeit, bis die noch offenen Fragen bei den Fertigungsprozessen, den Testroutinen und der Konfektionierung beantwortet werden können.

Elektronik: Zwar kann für die nahe Zukunft nicht erwartet werden, dass photonische integrierte Schaltkreise die Prozessoren aus Silizium ersetzen. Reichen aber die heute realisierbaren photonischen Komponenten aus, die festen Routinen der Nachrichtentechnik auszuführen?

Dr. Iñigo Artundo: Der Einsatz von Silizium-Photonik ist nur dann sinnvoll, wenn bei den Leistungsdaten gegenüber der Elektronik deutliche Verbesserungen zu erzielen sind, etwa bei der Datenübertragungsrate und der Baugröße. Das gilt dann auch für die Kosten, und zwar sowohl für die Herstellungskosten als auch für den Energiebedarf. Sonst wird die Industrie das Risiko nicht eingehen, das mit dem Einschwenken auf eine neue Technologie verbunden ist.